“机械制图”与“三维CAD”相结合的教学模式探析＊

李 杨 ， 刘国锋

（安徽三联学院机械工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

一切机器、仪器和机械装备都是依据机械工程图样进行制造和装配的，工程图样是工程界的技术语言，是制造业最重要的技术信息[1]。“机械制图”是高等院校理工科相关专业的一门重要基础性核心课程，研究对象为工程图样，强调的是使用图板、图纸及尺规进行手工绘图，具有较强的应用性和实践性。随着计算机应用技术的发展，采用计算机“三维CAD”软件绘制图样已贯穿于制造业的设计及制造过程中，成为现代工程设计与绘图的主要手段，相比于传统的手工绘图，计算机“三维CAD”绘图具有方便、快捷、精确度高等显著优点[2]。

近年来，“三维CAD”绘图软件课程在高校相关专业已普及，涉及的软件大多是Pro/ENGINEER或SolidWorks。培养学生的绘图及读图能力是“机械制图”与“三维CAD”两门课程共同的教学目标，两门课程在内容上具有一定程度的共性。但是，在目前本科院校相关专业课程体系设置中，“机械制图”和“三维CAD”通常作为两门完全独立的课程开设在不同学期，而且授课教师也不同。这样的授课顺序虽然体现了两门课程承上启下的关系，但是会造成许多关联知识不能够紧密融合，导致内容重复讲述和教学资源浪费，教学效率低，教学效果不好。因此，教师应根据两门课程的性质对内容进行有效融合，既改进了教学方法，又可以帮助学生高效掌握制图知识以及灵活操作软件。

1 “机械制图”与“三维CAD”课程的关系

“机械制图”这门课程的核心内容是机械制图国家标准，重点内容是正投影法以及三视图表达方法，另外还包括轴测图、标准件和常用件规范画法、零件图及装配图等。由于课程内容比较抽象，对学生的空间想象分析能力要求较高。学生若想灵活运用，除了需要具备一定的逻辑思维，还需要具备较强的空间想象能力和实践动手能力[3]。“机械制图”的设计过程是设计人员在大脑中建立三维实体模型，然后把实体投影到平面上进行二维图形绘制，读图者需要根据二维图样在大脑中想象出三维实体。

“三维CAD”绘图是在三维建模环境下进行的，可以快速建立三维立体模型，三维实体建模后可以直接输出二维工程图。教学目的重在培养学生运用计算机熟练使用CAD软件进行制图设计工作，强调对绘图软件中各基本操作命令以及表达方式的综合应用。

相比“三维CAD”绘图，传统的手工绘图虽然已不再适应时代的发展，但是依然有其举足轻重的作用，在高校相关专业人才培养计划中有着无可替代的地位[4]。“机械制图”课程目标不仅要培养学生良好的绘图及读图能力、空间想象与分析能力，而且还强调学生认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。而“三维CAD”软件是一种顺应时代发展的快速制图工具，能够更加直观、全面地反映设计对象，使用CAD绘图不仅能够显著缩短产品的设计周期，而且会大大提高图样的精确度[5]。“机械制图”课程是“三维CAD”绘图的基础，计算机绘图只是取代了手工绘图方式，但依然要遵守机械制图的基本理论和标准规定，学生对机械制图原理的掌握程度是决定能否使用CAD软件绘制出规范图样的关键因素。

2 “机械制图”与“三维CAD”课程教学现状

“机械制图”的传统教学模式主要是运用多媒体结合相对简单的教学模型向学生展示，重点是通过绘制二维视图来表达三维形体，学生对知识点的理解很大程度上依靠自身的空间想象能力。采用多媒体授课虽然大量节省了授课教师黑板板书的时间，由于近年来课程改革的原因，“机械制图”课程的课时量明显减少，但是对学生绘图技能及相关知识的掌握并未降低要求。目前，在高校相关专业课程体系设置中，该课程通常在大学第一学期开设，此时的大学生还习惯于中学阶段被动接收学习内容的方式，自主学习能力较弱，空间思维一时难以开拓。授课过程中，教师对图形解读时，二维向三维过渡的过程需要教师口头表述，想要表述清楚比较困难，学生需要紧跟老师的思路把三维形体映射在脑海中，更不是简单的事，因此很难跟上教师的授课节奏。即使传统教学过程中教师有时会使用教学模型做演示，但也具有以下局限性：

1）教学模型的种类及数量有限，结构相对简单，无法满足教学内容的需要；

2）模型体积较小，教师在演示时，不是所有的学生都能够观察清楚；

3）进行装配体、剖视图等知识点讲解时，也不能对模型进行随意的拆卸及剖切，不利于学生观察内部构造或结构。“机械制图”传统教学内容理论知识繁杂难懂，再加上教学模式以单一的二维模式为主，学生对“机械制图”课程内容较难理解，久而久之会消磨学生的学习兴趣，以致“机械制图”课程教学效果一直不尽人意。

多数院校将“三维CAD”课程开设在“机械制图”课程结束之后，笔者在近几年的实践教学中发现不少学生对“三维CAD”课程的学习兴趣比较浓厚，再加上企业实际设计图纸也基本是运用三维软件绘制，导致很多学生错误地认为“三维CAD”软件的学习比较重要，并在学习软件时将重心放在软件相关命令的练习上，结果导致学生虽然能够使用CAD软件绘图， 但往往会忽视机械制图应该遵循的基本理论、投影规律、表达方法及国家制图标准规定等。经分析，“机械制图”与“三维CAD”两门课程内容具有一定的共性，相关内容应该进行贯通融合，教师应利用学生对“三维CAD”的浓厚兴趣，将“三维CAD”巧妙地运用到“机械制图”课程中，激发学生对“机械制图”的学习兴趣，提高教学效果。

3 “三维CAD”与“机械制图”相结合教学模式思考

3.1 对传统的教学模式进行创新

“三维CAD”软件建模精度高，形象直观。教师根据“机械制图”授课内容的需要，备课时运用“三维CAD”软件绘制所需素材，当然这些素材可以是教材内容所需，也可以是习题所需。实际教学过程中可以随时调用这些素材向学生展现，并且可以对模型进行随意修改。这样不仅可以丰富“机械制图”的课程内容，还能够让学生熟悉“三维CAD”软件的基本命令，使学生在绘图过程中体会软件绘图的便捷性。例如，在学习组合体时，立体表面的截交线是一个难点，学生对此普遍反映较难理解。针对这种情况，使用“三维CAD”软件制作三维模型，利用软件的工程图模块让学生直观地观察截交线在各投影面上的二维图形，问题就会迎刃而解。装配图这一章节中，减速器装配图通常作为一个典型的素材出现在教材中，但大学新生对减速器结构组成及工作原理的理解还有一定难度，教师也不可能把减速器带进教室进行拆卸及演示。对此，可以利用“三维CAD”软件制作减速器模型，学生可以像见到实物一样直观了解各零部件之间的装配关系，同时教师通过软件进行运动仿真，能够让学生看清齿轮传动的过程，收到事半功倍的效果。

3.2 两门课程相结合培养学生的空间思维能力

学生的空间思维能力水平是决定“机械制图”课程教学质量高低的一个关键因素。培养学生的空间思维能力是“机械制图”课程教学的主要任务之一[6]。教师在教学过程中应坚持以学生为中心，充分利用“三维CAD”技术辅助，提高学生的空间想象能力。在“三维CAD”软件环境中可以随意改变模型的主视方向，也可以对模型进行剖切、拆卸等，这与传统教学模式相比更为直观，能够解决学生空间想象能力不足的问题。例如，在讲授六个基本视图时，学生对零件的后视图及仰视图极容易画错。对此，在实际教学过程中，教师可根据实际需要改变三维模型的主视方向，利用“三维CAD”软件中的工程图模块获得对应的基本视图，并把三维模型与基本视图建立联系，锻炼学生三维立体与二维图形之间的相互转换能力，从而培养学生的空间思维能力。相贯线内容是“机械制图”课程中的一个难点，两相交圆柱体（孔）的直径相等时，投影得到的相贯线是直线；而直径不等时，相贯线表现为弧线并朝向直径大的圆柱（孔）。为让学生轻松理解并掌握相关知识点，教师在备课时即可利用“三维CAD”软件制作两相交的圆柱体模型，授课过程中通过改变相应的圆柱直径，学生便可观察相贯线的动态变化。

3.3 以赛促学，激发学生的创新思维

笔者所在的学院每年会参加“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模竞赛，这是国内图学类最高级别的国家级赛事，主要竞赛内容是尺规绘图、三维建模及工程图绘制。为了提高学生的学习积极性，每学年的下学期先在校内举办选拔赛，通过比赛激发学生的学习积极性，并把学生的平时成绩按一定比例纳入校内比赛成绩，有效提高学生的课堂参与度。为了开拓学生的空间思维，培养学生的创新能力，团队教师通过CAD绘图软件建立了典型零部件及装配体三维模型及工程图，并整理成库，可供学生随时调阅。教师在机械制图教学过程中，可以将构型设计题嵌入到各个章节，学生用“三维CAD”软件表达设计构思，可以不断提高创新思维。

4 总结

“机械制图”是识图绘图的理论基础，“三维CAD”使模型灵活呈现。将“三维CAD”与“机械制图”两门课程相结合，可以将“机械制图”课程中的重难点知识以及难以用口述表达清楚的内容直观地展现给学生，既可以丰富“机械制图”课程的教学内容，提高学生自主学习的积极性和主动性，又可以促进“三维CAD”软件的应用，进而提高学生的工程图学综合素质。